💡这项突破是什么?
地震发生后的间震期内，断层强度随时间逐渐恢复的过程被称为断层愈合，这种行为直接关系到地震复发周期、地震应力降以及破裂特征，是认识地震周期及开展地震预测的关键信息。断层愈合在地震研究不同学科方向指代的内涵略有差异，既包括力学上的摩擦愈合（frictional healing），也包括裂隙闭合、断层带物质压实、水岩相互作用等其他物理-化学范畴的愈合。室内实验研究摩擦愈合一般借助于“滑动-保持-滑动”（slide-hold-slide）岩石摩擦实验（如，Dieterich, 1972; Marone, 1998; Scholz, 2019）。大量的实验数据揭示，尽管断层的摩擦愈合受矿物组成、温度、流体状态、加载速率和应变等多种因素影响，断层强度恢复通常随着保持时间呈对数线性增加（粘土矿物除外；如Marone, 1998; Carpenter et al., 2016等）。相关实验数据也被用于分析自然界中快地震和慢地震的复现周期（Marone et al., 1995; 1998; Shreedharan et al., 2023）。然而，2022年岩石变形Gordon会议（GRC）上，美国地质调查局（USGS）、帕多瓦大学与中国地震局地质研究所联合团队分别独立报道了花岗岩、辉长岩断层在水热条件下一定温度区间内出现的“反常”愈合行为，具体表现为断层愈合在一定保持时间后不增反降（Feng et al., 2023，博士论文；图1）。2023年，USGS团队将花岗岩的相关结果发表，但对这些结果的普遍性和物理机制并未做深入探讨（Jeppson et al., 2023）。然而，上述两批新的实验数据以及过去文献中散布的零星数据（以往部分实验数据被当作实验偏差或因离散度太大而未获重视；如Karner et al., 1997）均表明，水热条件下断层强度恢复与保持时间对数之间的线性关系即使对于常见硅酸盐岩石也并不总是成立，这对于断层愈合过去数十年的传统认识提出了挑战。
地震动力学与强震预测国家重点实验室访问学者冯炜（德国地学研究中心GFZ博士后）、中国地震局地质研究所构造物理实验室姚路研究员和马胜利研究员，联合清华大学李群仰教授和博士生王文州、以及帕多瓦大学Giulio Di Toro教授和Rodrigo Gomila助理教授，基于冯炜博士利用地质所旋转剪切实验设备获得的初步结果（图1），近3年来对水热条件下断层愈合率降低的物理机制及其普适性进行了持续性深入研究。通过一系列精妙设计的系统性实验，包括改变保持时间增降序列的愈合实验、分离辉长岩主要矿物组分（长石和辉石）的单组分愈合实验、多温度阶段愈合实验等，揭示如下结果：（1）长保持时间下出现的愈合程度降低的行为仅取决于保持时间的长短，与保持时间的施加顺序无关；（2）长石在较长保持时间下可呈现负愈合率的现象，而辉石的愈合与保持时间对数呈现较好的线性关系，因此长石的存在是辉长岩出现愈合率降低的关键原因；（3）长石在长保持时间下愈合速率降低的过程表现出热激活特征（图2）。
图1. 辉长岩滑动-保持-滑动（slide-hold-slide）摩擦愈合实验结果
图2. （a） 改变保持时间增降序列的摩擦愈合实验；（b）辉石、长石单组分及其1.68:1混合断层泥的愈合实验；（c）多温度阶段愈合实验
为了探讨长石对断层愈合的影响是否具有普适性，研究团队将摩擦愈合实验扩展至多种类型的长石（正长石、钠长石和中长石）和富含长石的岩石（玄武岩、闪长岩和花岗岩）。结果表明，在温度达到200 °C或250 °C且存在高压流体的条件下，在保持时间大于数百至数千秒后即能呈现愈合强度饱和或降低、愈合速率由正变负的现象（图3）。
图3. 多种长石与富含长石岩石的摩擦愈合实验结果
从愈合机制来看，时间依赖性的愈合行通常为被认为源于准静态接触过程中凹凸体真实接触面积的增加（ΔAr）或接触强度（Δτa）的增加（Dieterich and Kilgore, 1994; Li et al., 2011）。轴向位移数据显示，在准静态接触过程中断层整体发生压实，指示真实接触面积的增加。因此，若宏观上表现出愈合降低，则必然指示长石界面接触强度存在弱化过程。为了验证这个假设，研究团队利用原子力显微镜开展了单颗粒接触的滑动实验。该实验能够定性分离出接触面积和接触强度对于愈合的贡献。实验揭示，在高湿度（RH~80%）条件下长石-长石接触在长保持时间下表现出愈合率降低的行为，而接触面积在保持阶段并未随着时间而演化，这表明长石接触的愈合率降低主要源于接触强度的降低（图4）。
图4. 原子力显微镜单颗粒接触摩擦愈合实验
该研究从宏观摩擦实验与微观接触实验两个尺度，清晰地揭示了长石对断层愈合行为的重要影响，该发现挑战了当前关于间震期断层强度随时间对数线性增加的传统认识，揭示了地震周期中断层强度演化的复杂性。该研究内容以“Feldspar reduces fault frictional healing rate under hydrothermal conditions”为题，与2026年1月发表于Nature Communications上。该研究受到了国家自然科学基金（姚路：42422408、42174223；李群仰：12025203；马胜利：U1839211），国重实验室开放基金（冯炜：LED2024b09）和意大利PRIN 2022WE2JY9 等研究项目的共同资助。
